[Golang] 程式設計教學：函數式程式設計 (Functional Programming)

前言

函數式程式設計 (functional programming) 是另一種程式設計模範 (paradigm)，其思想主要可見於 LISP 和 ML 家族的程式語言。雖然函數式語言不是主流，但函數式程式易於平行處理，近年來又逐漸抬頭。一些主流程式語言，包括 C++、Java、C# 等，都加入一些函數式程式的特性。大數據 (big data) 框架 Hadoop 和 Spark 的思想，也是基於函數式程式。Go 雖然不是函數式語言，但提供一些函數式程式的特性。

函式物件

函數式程式的基本前提是函式為一級物件，簡單地說，函式也是值，可以做為參數也可做為回傳值。例如，以下是合法的 Go 程式：

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    f := func() {
        fmt.Println("Hello World")
    }

    f()
}

在本例中，我們建立一個函式物件 f，再呼叫之。

高階函式

我們也可以將函式物件做為另一個函式的參數，這種函式稱為高階函式 (higher-order function)。見下例：

package main

import (
    "fmt"
)

func apply(arr []float64, callback func(float64) float64) []float64 {
    out := make([]float64, len(arr))

    for i, e := range arr {
        out[i] = callback(e)
    }

    return out
}

func main() {
    arr := []float64{1, 2, 3, 4, 5}

    // Square
    sqr := apply(arr, func(n float64) float64 { return n * n })
    fmt.Println(sqr)

    // Cubic
    cub := apply(arr, func(n float64) float64 { return n * n * n })
    fmt.Println(cub)

    // Inverse
    inv := apply(arr, func(n float64) float64 { return 1.0 / n })
    fmt.Println(inv)
}

在本例中，我們對同一個函式 apply 傳入不同的函式，得到不同的結果。

閉包

函式物件除了做為參數，也可以做為回傳值。見下例：

package main

import (
    "log"
)

func num() func() int {
    n := -1

    return func() int {
        n += 1
        return n
    }
}

func main() {
    f := num()

    if !(f() == 0) {
        log.Fatal("Wrong number")
    }

    if !(f() == 1) {
        log.Fatal("Wrong number")
    }

    if !(f() == 2) {
        log.Fatal("Wrong number")
    }
}

在本例中，每次呼叫函式 f，得到的數值會遞增 1，這種帶有狀態的函式，稱為閉包 (closure)。

Strict Evaluation vs. Lazy Evaluation

主流的程式語言大抵上都是 strict evaluation，例如，以下的 Go 程式是錯的：

package main

import (
    "fmt"
)

func main() {
    fmt.Println(len([]int{1, 2, 3 / 0, 4}))
}

但以下等效的 Haskell 程式是正確的：

main = print len

list = [1, 2, 3/0, 4]
len = length list

這是由於 Haskell 有 lazy evaluation 的特性。

純函式

純函式 (pure function) 是函數式程式設計的一個概念，對於純函式來說，只要輸入的參數是相同的，得到的輸出就是相同的；換句話說，純函式沒有副作用 (side effect)。副作用在電腦程式中相當常見，像是改變某個物件內在狀態、將結果輸出到終端機、將資料存入外部檔案等；然而，過度依賴函式的副作用，有時候反而造成預期外的錯誤。函數式程式設計的其中一個概念就是減少副作用。Go 沒有特別強調純函式的觀念，但程式設計者可在撰寫程式時盡力避免副作用。

遞迴

遞迴不是函數式程式設計專有的特性，即使像是 C 這種非函數式程式語言也有遞迴的機制。然而，函數式程式語言支援 tail-call optimization，使得遞迴和控制結構達到相近的速度；Go 未支援此項特性。

型別推論

型別推論 (type inference) 也是函數式程式設計的其中一項特色，很多函數式程式語言都內建這項功能，像是 Haskell 或是 OCaml 等。Go 吸收這項特性，使得 Go 在某些方面類似動態型別語言。